論國（guó）產鐵路機車軸承的技術現狀與水平-數控機床市場網

您現在的位（wèi）置：數控機床市場網> 專題>鐵路設備機床裏的運用（yòng）專題

論國產鐵（tiě）路機車軸承的技術現（xiàn）狀與水平

2013-11-26 來源：作者：大連軸承廠技術科趙豔英

摘要: 根據我國鐵路機（jī）車的現狀, 從（cóng）結構優（yōu）化、新材料的應用、加工工藝（yì）的改進等幾個方麵係統地闡述了提高鐵路機車軸承使用（yòng）壽命及加強其綜合機械（xiè）性能的措施。通過與國際先進的軸承（chéng）技術的全麵比較, 認（rèn）為（wéi）我國鐵路機車（chē）軸承在技（jì）術上已經與國際接軌（guǐ）。

關鍵詞: 滾動軸承; 滾子對數曲線; 電渣（zhā）重熔鋼; 貝氏體淬火（huǒ）; 加強型; 結構; 材料（liào）

1 前言（yán）

隨著我國（guó）鐵路機車高速化的發（fā）展, 對機車軸承的要求也越（yuè）來越高。為了增強與進口軸承的競爭（zhēng）,滿足機車不斷提速的要求, 國產鐵路（lù）機車軸承在設計（jì）及工藝（yì）上都有了很大的改進。目前, SKF 軸承（chéng）代表著國際領先技術, 他們提出的ECP 設計是世（shì）界（jiè）一流的設計理念( E 是指加強型設（shè）計; C 是指采（cǎi）用斜（xié）麵擋邊的套圈和球麵端頭的滾子（zǐ）; P 是指新（xīn）型材料在保持架（jià）上的（de）應用（yòng）) , 這一理念正逐步被國內軸（zhóu）承廠（chǎng）家和用戶接受並采用。下（xià）麵筆者就近幾年在這方麵（miàn）的研究心得, 簡要地從（cóng）軸承的設計結構、材料及工藝幾（jǐ）個方麵（miàn）介紹一下國產鐵路機車軸（zhóu）承的情況。

2 圓柱滾子軸承的加強型結構（gòu）

在保持（chí）軸承外型（xíng）尺寸不（bú）變（biàn）的情況下, 采用（yòng）加強型結構可大幅度地（dì）提高軸承的額定動負荷, 延長使（shǐ）用壽命和改善動（dòng）態性（xìng）能。對於圓柱滾子軸承, 一些著名的軸承廠家如SKF、FAG、NSK 等均推出了加強型（xíng）結構, 從而提高了軸承的承載能力, 降（jiàng）低了（le）摩擦力矩。向心滾子軸承額定（dìng）動負荷Cr 的計算公式為

Cr = bmf c ( iLwe cosA) 7/ 9Z3/ 4Dwe29/ 27 ( N)

式中bm 常用（yòng）材料和（hé）加工質量的額定係數;

f c 與軸承零件（jiàn）的幾何形狀、製造（zào）精度（dù）和材（cái）料有關的係數;

i 軸承中滾子的（de）列數（shù）;

Lwe 額定（dìng）載荷計算中（zhōng）滾子長度;

A 軸承的（de）公稱接觸角;

Z 每列滾子的個數;

Dwe 滾子的直徑。

軸承的外徑、內徑和（hé）寬度尺寸（cùn）不能改變, 增大（dà）Lwe和Z 也受到限製, 所（suǒ）以在不提高製造精度和改變所（suǒ）用材質的情況下, 減薄套圈厚度（dù）而加大滾子直徑是最（zuì）有效的加強方法（fǎ）。例如國產的552732QT 軸箱軸承, 滾子由標準設計的U32 @ 55 加大到U34 @55 後, 滾子數目不變（biàn）, 其（qí）額定動負荷（hé）即可提高10.3%, 計算壽命約可提高38.7%。

3 采用斜麵擋邊的套圈和（hé）球麵端頭的滾（gǔn）子

標準的圓柱滾子軸承滾子（zǐ）端（duān）麵與套圈擋邊引導表麵（miàn）均設計為平麵, 軸承轉動時, 兩者相互摩（mó）擦滑動, 潤滑脂易被擠出, 加上離心力的作用, 潤滑（huá）脂( 油) 難以填充, 容易發熱燒損。因此, 除改善潤滑條件外, 還必須改變摩擦表麵的接觸（chù）狀態。為此,同時采取（qǔ）兩（liǎng）條措施: 其一, 把套圈擋邊作成有5D 角的微小傾斜麵( 圖1a) ; 其（qí）二, 把滾（gǔn）子端麵加工成微小的球麵R ( 圖1b) 。這樣, 球麵端頭滾子作用於套圈擋邊的橢圓壓力區有助於形成動壓潤滑油膜, 減少半幹摩擦產生的熱量, 既能增（zēng）加軸承的軸向承載能力, 又能提高軸（zhóu）承的（de）運用轉速。

一般常用的圓柱滾子軸承的軸（zhóu）向承載能力Fa [ 0. 3Fr ( Fr 是指軸承的徑向承載能力) , 采用斜麵擋邊的套圈和球麵端頭的滾子後, 可以提高到Fa= 0. 7Fr 。由於該結構的（de）圓柱滾子軸承既能承受徑向（xiàng）力, 又（yòu）能承受軸向力, 因而應用在我國內燃、電力機（jī）車的軸箱軸承上非常有效（xiào）, 這樣（yàng）可以節（jiē）省一套專門承（chéng）受軸向力（lì）的球軸承及其緩衝裝置, 簡（jiǎn）化了軸箱結構。

4 滾子母線采用對數型線

標準滾子軸承（chéng）的滾子母線是直線型的, 工作過程中整個有效長度上都（dōu）受力, 雖然在接觸區的大部（bù）分區域上的接觸應力分布較均勻（yún）, 但在接觸區端（duān）部有突（tū）變的倒角, 會引起嚴（yán）重的邊緣效應, 導致此處產生（shēng）較中心應力大數倍的應力（lì）峰, 常（cháng）常造成該（gāi）處發生（shēng）早期疲（pí）勞剝落（luò）, 特別是受偏載時, 滾子邊緣的（de）應力比正常狀（zhuàng）態下的計算應力大（dà）4~ 9 倍。試驗證

明, 接觸應力顯（xiǎn）著增加的那一段長度相當於滾子（zǐ）長度的0107~ 0. 166。為了降低應力集中和提高軸承壽命, 人們曾對滾子母線進行了各種修正, 先後有修正（zhèng）線凸度、弧坡凸度和對數曲線, 而對數曲線被認為是最（zuì）理（lǐ）想的一種曲線。

圖2( a) 和( b) 分別示（shì）出了（le）各種母（mǔ）線形狀（zhuàng）滾子的應力分布（bù）和線載荷密度對比, 通過對（duì）比可得出結論: 滾子的對數型線具有最佳的應力分（fèn）布形狀和良好的糾偏載能力。

根據三維有限長圓柱體彈性接觸理論的計算結果, 已找到了滾子對數型（xíng）線的方程為（wéi）

Y = 2( 1- v2) / E # W/ Leff # Ln[ 1/ ( 1 - 2X / Leff2] (μm)

式中

v 泊鬆比;

E 彈性（xìng）模量;

Leff 滾子有效長度;

W 滾子最大負

大連軸（zhóu）承廠已經成功地完（wán）成了滾子對數曲線的設計和加工, 使用（yòng）洛陽市科迪設備研究所提供的3MZ6260 型（xíng）圓柱( 圓錐) 滾子凸度超精（jīng）研機（jī）加工對數（shù）曲線, 並在英國（guó）泰勒爾公司生產（chǎn）的輪廓（kuò）儀上打出實際曲線, 超精研加工的對數凸度, 完全符合我們設計計算的（de）對數（shù）型線要求。圖3 所示為軸箱軸承滾子對數曲線圖。

5 采用100GrMo7 電（diàn）渣重熔鋼新材料

我國軸承行業規定的鋼種為GCr15 鋼和GCr15SiMn 鋼。對於壁厚大於12mm 或外徑\250mm 的（de）軸承套圈及直徑（jìng）大於22mm 的滾子（zǐ）, 規定（dìng）必須（xū）采（cǎi）用GCr15SiMn 鋼, 因為這一鋼種淬透性好, 表層和心部的硬度幾乎相等, 都可在HRC60以上。但是鐵路機車上的使用經驗表（biǎo）明（míng）, 這樣的硬度分布, 對承受劇烈衝擊負荷的軸箱軸承並不合（hé）適, 內外套圈和（hé）滾子脆性大, 衝擊韌性低, 容易發生（shēng）裂損, 倒不如采用GCr15鋼為好。GCr15 鋼淬透性差, 經適當熱處理後, 表層硬度可達HRC60~ 63, 而心部（bù）較軟,這樣, 既能保證（zhèng）軸承有足夠（gòu）的疲勞壽命與磨損壽命, 又具有承受衝擊負荷的優良性能。

此外, 有關研究還表明, 在相同的回火溫度下（xià）, GCr15SiMn 鋼的殘餘奧（ào）氏體含量比

GCr15 鋼高得多。GCr15 鋼經淬火和普通回火後,殘餘（yú）奧氏體一（yī）般為百分之十幾, 而GCr15SiMn 鋼熱處理後的殘餘奧氏體高達百分（fèn）之二十幾。較高的殘（cán）餘奧氏體含量, 導致軸承尺寸的（de）不穩定, 軸箱軸承（chéng）常因（yīn）此產生內（nèi）孔直徑的脹大, 使軸承與軸頸的配合過盈量得不到保（bǎo）證, 從而出現透鏽和弛緩現象。近兩年, 我國開始使用100CrMo7 貝氏體（tǐ）鋼, 這種（zhǒng）鋼是（shì）SKF 公司首先采用的, 我（wǒ）國牌號為GCr18Mo。它的淬透性比（bǐ）GCr15 鋼高一倍以（yǐ）上, 用（yòng）等溫淬火獲得的抗壓負荷能力也比用（yòng）常規熱處理的GCr15 鋼高一倍多, 其衝擊韌性是GCr15SiMn 鋼的2~ 3 倍（bèi）, 在相同硬度條件下, 等溫淬火的接觸疲勞強度是常規熱處理的215 倍左右。

采用科學的冶（yě）煉方法（fǎ）也能有（yǒu）效地提高軸承材料的性能。普通軸承鋼是在大氣中冶煉（liàn）, 鋼中熔有氫、氮、氧（yǎng）等有害氣體難以脫離。氫的存在, 易在鋼中形（xíng）成白點, 這是產生裂紋的潛在根源; 氮會增（zēng）加鋼的回火脆性; 由氧形成的氧化物硬度高, 而（ér）難變形的氧化物等非金屬夾雜物氧化鋁、氧化鐵等則是產生疲勞（láo）的起點。

在5鐵路機車滾動（dòng）軸（zhóu）承技術條件6 中已規定軸承套圈和滾（gǔn）動體應采用真空脫氣鋼。這種鋼的氧和非金屬（shǔ）夾雜物約減少二分之一。采用真空脫（tuō）氣鋼的軸承, 其疲勞壽命比普（pǔ）通軸承（chéng）鋼高015~ 3 倍以上, 而其價格（gé）卻隻貴（guì）百分之十左（zuǒ）右。

1998 年以後, 開始使（shǐ）用電渣重熔鋼, 其脫（tuō）氣效果雖（suī）不如真（zhēn）空脫氣鋼, 但非金屬夾（jiá）雜物比後（hòu）者少, 特別是真空處理（lǐ）時（shí）不可能減少的硫化物減少（shǎo）得更顯著。電渣重熔鋼被國防科工委定為軍甲鋼, 是軍隊（duì）武器裝備使用的最好（hǎo）的（de）鋼。電（diàn）渣重熔鋼與真空脫氣鋼相比, 純淨度特別高, 發紋長度（dù）在016mm 以下( 真空脫氣鋼為6mm 以下) , 在鍛造、擴孔輾壓中發紋（wén）可以全部消失, 又稱無發紋鋼。表1 是大連鐵道學（xué）院力學實驗中心提供的不同（tóng）的冶煉方法對100CrMo7 軸承鋼衝擊韌性影（yǐng）響的實驗數據對比。

由表1 中的40 件（jiàn）試樣的對比得出結論: 電渣重熔鋼（gāng）試樣的Ak 值比真空脫氣鋼試樣的Ak 值提高2015%。目前, 隻有SKF 公司和我（wǒ）國采用了BGCr18Mo 的電渣（zhā）重熔鋼, 世界著名的德國FAG、日（rì）本KOYO、NSK 等軸承知名（míng）廠家仍在使用GCr15 真空脫氣鋼( 外國牌號為100Cr6) , 這說明我國軸承在材料的應用上已位（wèi）於世界的前列。

6 采用貝（bèi）氏（shì）體等溫淬火熱處理新工藝

1992 年（nián）8 月（yuè）份以前, 國內軸承采用的全部是GCr15 鋼的馬氏（shì）體淬火, 自1992 年9 月份開始, 大連軸承廠將GCr15 鋼的貝（bèi）氏體等溫淬（cuì）火成功地用於（yú）機車（chē）軸承的生產（chǎn）。和傳統的馬氏體淬火相比, 貝氏體淬火具有以下優點:

①貝氏體（tǐ）淬火時, 工（gōng）件截麵上溫度比較均勻,基本上同時發生貝氏體（tǐ）轉變, 由奧氏體向下貝氏體轉變時, 體積（jī）膨脹較小, 因此淬火變形（xíng）較小, 而淬火表麵是殘餘壓應（yīng）力, 因（yīn）而不易產生淬火裂紋和磨削裂紋。

②貝氏體淬火, 衝擊韌性可以提（tí）高30% 。

③ 貝氏體淬火與馬氏體淬火相比, 斷裂撓度提高（gāo）了26% 。

④由於貝氏體淬火的4 小時等（děng）溫, 殘餘奧氏體（tǐ）含量極少( 217% 以（yǐ）下) , 可以保證軸承在存放或使用中, 尺寸基本不變（biàn）, 因（yīn）此, 貝氏體（tǐ）淬火具有良好的尺（chǐ）寸穩定性。

⑤全下貝（bèi）氏體組織的接觸疲勞壽命, 接近於常規馬氏體淬火、經160 e 回火的馬氏體組織, 而高於相同硬度的回火馬氏體組織。

⑥全下貝氏體（tǐ）組織的軸承, 耐磨性和目前（qián）常規馬氏體淬火( 200 e 回火) 的鐵路軸承相當。

由以（yǐ）上可見, 貝氏（shì）體淬火與常規馬氏體（tǐ）淬火相比, 具有高的韌性, 良好的尺寸穩定性, 優良的（de）抗衝擊、抗裂紋的（de）擴（kuò）展性能。但（dàn）是, GCr15 軸（zhóu）承鋼並不能（néng）充分發揮（huī）貝氏體淬火工藝的（de）全部優點, 其貝氏體組（zǔ）織轉化技術要求相當嚴格。1997 年6 月以後, 國（guó）內（nèi）鐵路（lù）機車軸承開始采用GCr18Mo 貝氏體淬火處理, 取得了良好的（de）效果。這兩種材料相比情況如下: